基于时差和频差的无人机对干扰辐射源无源定位研究运用

韩璐潞

【摘要】    在电子技术以及无线通信技术快速发展的情况，无源定位技术在军用系统以及应用系统都发挥了至关重要的作用。在无源系统中利用定位技术可以完成陆地、海洋以及空中交通导航等工作。而对无源定位系统来说，确定定位目标的位置可以提高电子对抗能力，摧毁敌方武器。在对无源定位技术进行研究时，要重视单平台和多平台无源定位的具体特点，并且要根据无源定位对辐射源参数的具体检测要求，研究基于时差与频差的无人机对干扰辐射源无源定位的具体应用情况。根据研究结果提出提高无源定位精准性的相关方法，进一步促进无源定位系统的发展。

【关键词】    时差    频差    无人机定位    干扰源    无源定位

无源定位指的是接收站不需要发射探测目标的电磁波，只需要被动地接受目标辐射、反射以及散射的电磁波信号，就能够完成目标定位的技术。这种定位技术应用过程更加简单方便，并且定位精度比较高在各领域都有所应用。无源定位技术具有良好的隐蔽性、抗干扰能力，在电子战、航海导航等领域的应用比较普遍。在无人机技术、网络技术和智能技术、物联网技术不断发展的背景下，加强基于时差和频差的无源定位技术研究工作至关重要，可以提高无源定位技术的精准度，促进无源定位系统在不同领域的应用和推广。

一、无源时差定位系统与频差定位系统

目前无源定位系统主要包括单站和多站协同两类系统。单站定位系统相对简单，但是定位精度受到一定限制。为了提高定位精度，需要进行多次测量。因此，定位时间相对较长。多站无源定位需要利用布站空间内分布的不同接收站在接受目标源信号后进行相应处理，最后完成定位工作。整个系统的运行相对复杂，但是多站定位精度以及定位速度都相对较快。目前，无源定位技术主要包括到达时间定位技术、到达角度定位技术、到达时间差定位技术、到达评差定位技术等。利用两种或者多种技术进行混综合应用被称为联合定位技术[1]。到达角度点位技术在使用过程中，需要利用天线阵列或者方向性的天线才能够完成辐射源信号测量作业。主要是对辐射源的俯仰角以及方位角进行定位。在该技术应用中，要至少完成两个不同位置的测量，才能够确保定位的精准性。虽然原理比较简单，但是信号到达角的测量精度受信道环境的影响比较大。到达时间定位技术需要完成辐射源信号到达接收机绝对到达时间测量，并将其转化为辐射源与接收机之间的传播距离。这时可以利用多个圆周角交汇确定目标的空间位置。这种定位方法在应用中必须要保证辐射源到达接收机的绝对时间准确。因此，需要确保接收机与辐射源时间同步，在实际应用中实现难度比较大。

无源时差定位技术是目前应用和研究相对较多的定位系统。无源时差定位技术在上世纪60年代就已经开始研究，该定位技术在应用过程中方便进行组网，定位紧密的股比较高，能定位宽带低谱密度无线电信号。我国对无源时差平台定位系统的研究相对较晚，直到上世纪90年代才开始研究。

无源频差定位指的是辐射源与接收机之间相对运动产生的多普勒频差对目标进行定位的技术。这一定位技术一般是卫星对地面物体进行观测定位。无源频差定位技术可以作为补充信息，提高无源时差定位技术的精度。时差和频差联合定位技术在应用过程中，最少利用两颗卫星就能够对辐射源定位，可以节约定位成本。

二、双无人机对干扰源的定位技术

目前，根据接受机平台的数量差异，可以将干扰辐射源无源定位系统分为单平台测量定位系统以及多平台测量定位系统。其中单平台定位系统需要的数据通信量相对较少，需要的定位时间比较长。而多平台定位速度相对比较快，精度比较高。在实际定位过程中，可以利用平台之间的协同工作完成大量数据传输，系统组网比较复杂。并且在系统生产运行过程中，需要机动时复杂程度更高。在实际使用过程中可以利用两架无人机作为测量平台，基于时差和频差完成干扰辐射源无源定位。这种双人机干扰源定位技术的基线比较长，并且移动速度比较快，容易产生大频差，提高定位精度。利用双无人机对干扰源无源定位系统进行操作时，主要包括无人机1和无人机2。两架无人机需要在空间完成配置，并且要保持一定的距离。同时利用时差方程和频差方程进行计算。

其中d表示的是两架无人机之间的距离，、表示的是地面目标到两架无人机之间的距离矢量。

通过对干扰源信号到达无人机的时间差以及频率差可以獲取定位目标的坐标，其中时差可以确定三维空间的双曲面，而频差主要确定三维空间的椭球面。地球作为三维空间球面，通过面面相交可以获取空间曲线，而线面相交可以获取空间点，从而获取干扰源的具体位置信息。根据双平台的具体特性在实际运行中只有一个真实值。因此，可以代入原方程进行验证。或者直接用其他参数辅助判断干扰源目标的位置。

三、基于时差与频差的无人机对干扰辐射源无源定位误差

3.1定位误差分析

在两架无人机接受干扰源信号时差与频差过程中，可以确定定位目标的定位曲线时差与目标位置、无人机的位置存在一定联系。而多普勒频率差与目标位置、无人机的位置也有一定联系。同时从无人机的运动速度方面出发进行分析，也会对定位精度产生一定影响。在定位过程中的定位误差可以利用最小均方差获取。此外，还需要对定位精度进行几何稀释：

GDOP代表的是无人机布设以及干扰源之间的位置关系对定位精度产生的具体影响。Pn代表的是定位参数测量对定位精度产生的。定位误差主要包括几何因子以及测量因子两部分。在对定位误差进行控制的过程中，需要选择良好的布战几何，才能减少系统不同的测量误差与计算误差。进而提高干扰源的定位精度。

3.2无人机布站

在开展无人机布站时，需要对无人机与地面干扰源之间的位置关系进行深入探讨，无人机与地面干扰源之间的位置关系主要包括以下两种：第一种是无人机运动方向和基线方向相同，也就是平行布站;第二种是无人机运动方向和基线方向垂直为垂直布站。假设两架无人机的运动速度在水平方向上为0，在垂直方向上的距离为90米/秒，载频为3GHz，基线的距离为5000米。如果无人机利用平行布站，曲线以无人机中心位置作为中心，将接收机前进的方向或者垂直方向作为对称轴，在机械垂直方向的时差为0。如果无人机利用的是垂直布站，曲线以两架无人机的中心位置作为中心对称，在基线垂直方向的时差也为0。经过仿真实验，发现平行布站以及垂直布站时，每一个时差值有两个位置与其对应。对干扰源定位模糊度进行分析，可以确定平行布站与垂直布站获取的定位精度相同[2]。无人机利用垂直配置时，基线的垂线以及基线方向的多普勒频率差为0;利用平行配置时，基线方向的多普勒频差为0，但是基线的中垂线都多普勒频差出现变化。不同的无人机布站配置、速度、方向不同，多普勒频率差之间有一定差距。载频越高，多普勒频差越大，距离会越近;多普勒频率差越大，基线也越长。多普勒频差会越大。无人机利用平行布站时，曲线主要是以两架无人机的中心位置作为中心，形成中心对称状态，并且接收机前进方向和垂直方向都是对称轴。在基线方向上多普勒频率差为0。无人机为垂直布站时，曲线将两架无人机的中心作为中心位置，形成中心对称。基线方向与基线中垂线多普勒频差为0。说明每一个多普勒频差测量值中都有四个位置与多普勒频率差对应。对干扰源定位的模糊度进行分析，平行布站比垂直布站更具有优势。如果时差频率测量精度相同，对干扰源定位模糊度进行分析，可以发现两架无人机利用时差和频差开展干扰源定位时，水平布站方式具有更强的优势，不仅可以提高定位效率，而且能够确保定位精度。

3.3测量参数的影响

在对基于时差与频差无人机无源干扰定位系统应用时，两架无人机对干扰源的定位精度与其他定位参数也有一定关系。目前，对无人机无源定位精度产生的影响的因素主要包括干扰源到无人机的距离、两架无人机之间的距离、时差频差的测量精度以及无人机的飞行速度等。在具体的研究中，需要对不同参数下的定位精度进行深入分析。主要研究不同参数对具体的定位精度产生的影响进行全面把握。根据不同参数，对基于时差、频差的无人机无源定位测量精度进行分析，可以看出无人机定位精度与两架无人机将基线作为对称轴时，可以将定位精度图分为基线区、宽边区（基线左右区域）、窄边区（基线上下区域）。其中宽边区的定位精度最高、基线区的定位精度次之、窄边区的定位精度最低。并且在基线延长线上，定位误差较大，在基线的中垂线方向上定位误差相对较小。经过对不同测量参数的对比可以获取以下结论：第一，随着无人机到干扰源距离的不断缩短，定位精度会逐渐提高。因此，在利用无人机完成无源定位工作时，可以降低无人机的飞行高度，有利于提高定位精度。第二，定位误差随着无人机的基线长度缩短而增加，因此在开展定位工作时，可以延长无人机的基线长度，有利于确保定位精度。第三，如果无人机飞行高度和基线长度处于稳定状态，时差与频差测量精度不断提升，也能够提高无人机对干扰源的定位精度。第四，无人机的飞行速度降到30米/秒时，在基线垂线方向距离10千米左右部位对干扰源的定位精度从飞行速度90米/秒的228.69米降低到495.31米。因此，无人机的飞行速度会对定位精度产生直接影响。无人机的飞行速度越高，定位精度越高。因此，利用无人机开展无源定位时，需要根据具体的定位需求和定位区域，合理控制无人机飞行速度[4]。

四、结束语

总而言之，基于时差与频差对无人机干扰辐射源的无源定位系统进行研究的过程中，需要根据当前电子技术和无线通信技术的发展现状，全面掌握时差和频差之间的关系，探讨时差与频差与无人机飞行速度、两架无人机之间的距离、无人机与地面干扰源的距离对定位精度产生的具体影响。这样才能够在无源定位过程中对无人机的飞行速度、飞行距离、飞行方向等进行合理控制，从而提高辐射源定位精度。经过验证可以确定，无人机的时差、频差测量能够对干扰辐射源進行无源定位。但是在具体的定位作业中，必须根据实际区域以及具体的定位需求，对无人机进行科学配置和布局。尽可能降低在无人机定位过程中存在的误差，保证测量精度，从而确保定位结果的精确性。

参  考  文  献

[1]孙亚钊. 运动多站时差无源高精度定位技术研究[D]. 哈尔滨工程大学， 2019.

[2]屈天开. 多站无源时差频差联合定位算法研究与多核DSP实现[D]. 哈尔滨工程大学， 2019.

[3]侯世敏， 杜剑平， 姚振宁，等. 基于时频差的双同步卫星干扰源定位误差与卫星构型研究[J]. 信息工程大学学报， 2020（1）.